[发明专利]一种石墨烯的生产装置及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维纳米新材料的生产装置及制备方法，具体涉及一种石墨烯的生产装置及制备方法。

背景技术

石墨是典型的层状结构，每个碳与相邻的碳之间等距相连，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。上下两层的碳原子之间距离比同一层内的碳之间的距离大得多（层内C-C间距=0.142nm，层间C-C间距=0.340nm），层与层之间的碳原子通过范德华力结合在一起，通过破坏层与层之间的范德华力可以使石墨发生剥离制得石墨烯。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp²杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp²杂化碳质材料的基本组成单元。

目前，石墨烯制备的方法主要有：氧化还原法，超临界法，外延生长法，化学气相沉积法以及机械剥离法。氧化还原法是指在浓硫酸等强氧化剂下将石墨氧化，得到氧化石墨烯，通过水合肼、硼氢酸钠等还原剂还原得到石墨烯。由于强氧化作用，碳原子六元环结构被破坏，引入了“缺陷”，导致最后制备的石墨烯有较多的缺陷，且强酸、水合肼环保问题突出，使之在工业化应用上存在一定问题。超临界法是在超临界条件下，将溶剂插入石墨层间，通过短时间内的压力降低，“爆破”式的制取石墨烯。虽然其能有效的打开石墨层，但是其得到的石墨烯片层大小不均一，操作条件有一定危险性。外延生长法通过碳化硅的热解制备石墨烯，其操作条件苛刻。化学气相沉积法是通过甲烷等碳源在铜箔等基质表面高温分解，生成石墨烯，其成本高，不利用大规模的工业化。

机械法是以石墨为原料，借助机械外力，通过剪切作用，打破石墨层间的范德华力，从而得到石墨烯。通过机械法，可以制备较大面积，没有结构缺陷的石墨烯材料，更重要的是这种方法的成本极低，是一种有前途的石墨烯的产业技术。化学学术期刊《Carbon》(碳材料Carbon2010,48(11)3196)，报道了通过搅拌磨的方式，借助50μm或100μm的氧化锆，对石墨微片的分散液进行处理，通过几个小时的剥离，最高得到了25g/L的单层或少层石墨烯溶液从而证明了机械方式对生产石墨的可行性。另外，《NatureMaterial》(自然材料NatureMaterials2014,13(6)624)报道了利用乳化机制取石墨烯的方法，该方法了说明了剪切作用在石墨烯剥离过程中的重要性。

目前，机械法制备石墨烯有较多的应用，但普遍存在产率低的缺点，这对于石墨烯的后续应用带来了挑战。此外，由于很难掌握剥离的剪切力，部分产品出现“过磨”现象，使得产品边缘出现“毛刺”，不规则锐角，对于石墨烯在相关行业的应用产生不利的影响，不能充分发挥其性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种高效剥离石墨制备石墨烯的生产装置及制备方法，该生产装置能够在不破坏石墨片层自然结构的基础上，得到大面积、没有缺陷的石墨烯，制得的石墨烯产品通过工艺参数的调节，保证了其较好的外观形态，整个生产过程采用物理方法，绿色环保，工艺简单。

本发明的目的是这样实现的：一种石墨烯的生产装置，它包括反应釜和电机，所述电机安装于反应釜的顶部，在所述电机的输出端上连接有剪切器，在所述反应釜的顶部设置有进料口、压力表和温度计，在所述反应釜的内壁面上设置有剪切沟槽，在所述反应釜的中下部设置有出料口，便于卸出反应后悬浮液，在所述反应釜的外围设置有夹套，在所述夹套上设有热媒进口和出口，所述反应釜的出料口与储料罐的进料口相连，所述储料罐的出料口与离心机的进料口相连，所述离心机的出料口与干燥机的进料口相连。

所述剪切器包括与电机相连的转动轴，在所述转动轴的下部均匀设置有四片剪切叶片，在所述剪切叶片上设置有与之相垂直的端部剪切叶片。

所述剪切沟槽由四面体或齿形或两者结合组成，沟槽之间交错、平行、螺旋上升或下降形式排布。

所述剪切沟槽的四面体或齿形的顶角角度为10°~160°，长度为1cm-1000cm，厚度为0.5cm~3cm。

本发明还提供一种利用上述生产装置制备石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将纯度在98%以上，粒径为2μm~1cm石墨鳞片和溶剂注入反应釜内，同时添加分散剂，启动电机进行搅拌，使物料混合均匀，搅拌均匀后，封闭反应釜；